伺服系統(tǒng)的參數(shù)直接影響到數(shù)控機床的精度和性能，因此在數(shù)控機床調試過程中，伺服參數(shù)的調整技術是一個重要的研究內容。目前，各品牌的數(shù)控系統(tǒng)有不同的伺服調整方法，對調試人員的經(jīng)驗要求較高，而且無法定量地評估參數(shù)調整的效果，致使許多數(shù)控機床不能發(fā)揮出最佳的動態(tài)性能，影響數(shù)控機床的有效使用。作者基于三菱數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅動器的輸出功能，開發(fā)了用于伺服參數(shù)調整的測試分析系統(tǒng)，通過采集機床運動過程中的運動參數(shù)，實現(xiàn)了伺服調整過程的圖形交互。使伺服參數(shù)調整具有了可視化及定量評估的特點。
1 三菱伺服系統(tǒng)基本原理
三菱伺服系統(tǒng)采用如圖1所示的三環(huán)控制方式。在三環(huán)結構中，電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速扭矩；另外，需要考慮及時抑制電流環(huán)內部的干擾，并保障系統(tǒng)安全運行。速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤性能，使整個伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能快：則控制穩(wěn)定。
圖1三菱數(shù)控系統(tǒng)伺服調整原理圖
對用戶而言，伺服系統(tǒng)的調整主要是對系統(tǒng)的各環(huán)路參數(shù)進行適當調整，當增益較低時，影響系統(tǒng)的響應速度；當增益較高時，系統(tǒng)具有較快的響應速度，但過高的增益將使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗噪聲能力下降，從而影響到系統(tǒng)的性能。因此，伺服系統(tǒng)的調整實際上是一個尋求系統(tǒng)各項性能的相互平衡并使整體性能最優(yōu)的決策過程。
2 三菱伺服系統(tǒng)組成
三菱伺服系統(tǒng)組成包括兩個方面：一是作為伺服調整對象的數(shù)控機床，二是用于伺服參數(shù)調整的測試系統(tǒng)。
2.1 數(shù)控機床
XH7132加工中心綜合試驗臺如圖2所示，由機床和數(shù)控系統(tǒng)試驗臺兩部分組成，可用于CNC技術培訓，也可用于數(shù)控加工。
圖2 XH7132加工中心綜合試驗臺
數(shù)控伺服系統(tǒng)主要組成元件如表1所示。
2.2 測試系統(tǒng)
三菱MDS-R-VIV2伺服驅動器中內置有各種控制數(shù)據(jù)的D／A輸出功能。通過特定的參數(shù)設置，可以輸出位置、速度、電流等信號，通過采集、分析這些信號，就可以了解數(shù)控機床的伺服性能。測試系統(tǒng)組成如圖3所示，測試系統(tǒng)由計算機、數(shù)字示波器、PJ912接口板和SH21通訊線等組成。利用采集到的機床運動參數(shù)信息，在計算機上計算、分析機床運動的速度跟隨誤差、位置跟隨誤差等，作為伺服參數(shù)調整的反饋信息，使得參數(shù)調整更加直觀，而且可以定量地評估調整誤差。
圖3測試系統(tǒng)組成原理框圖
3 伺服調整實驗與分析
數(shù)控系統(tǒng)伺服調整的一般步驟為：首先調整電流環(huán)參數(shù)(三菱電流環(huán)增益由電機和伺服單元的組合決定，按標準參數(shù)值設定參數(shù))，然后調整速度環(huán)參數(shù)，最后調整位置環(huán)參數(shù)。只有電流環(huán)和速度環(huán)的伺服參數(shù)設置合適，才能得到較高的位置環(huán)性能，數(shù)控機床的位置精度和跟隨精度才可能得到提高。作者采用文中的測試系統(tǒng)，以速度環(huán)參數(shù)的調整為例進行實驗驗證。
3.1 速度環(huán)增益調整
三菱數(shù)控系統(tǒng)速度環(huán)參數(shù)調整按照圖4所示的流程進行。
圖4速度環(huán)參數(shù)調試流程
速度環(huán)參數(shù)測試過程中，采用觀察指令速度和反饋速度的方法來確定伺服參數(shù)設置是否合適，伺服驅動器D／A接口輸出指令速度和反饋速度的參數(shù)設置如表2所示。
速度環(huán)增益是決定伺服控制響應性的重要參數(shù)，對機床的切削精度和循環(huán)時間有很大影響。需要說明的是：伺服系統(tǒng)的響應特性不僅與速度環(huán)增益有關，而且與系統(tǒng)負載慣量也直接相關。因此在速度環(huán)參數(shù)調整前，要先測量傳動系統(tǒng)的負載慣量比，并設定慣量比相關參數(shù)。文中的測試系統(tǒng)也可以用于機械傳動系統(tǒng)負載慣量比的測定，具體測試方法不再贅述。
3.2 實驗分析
對數(shù)控機床X軸的伺服系統(tǒng)分別設置兩組速度環(huán)參數(shù)，如表3所示。
基于表3所示的兩組參數(shù)，數(shù)控機床x軸依照圖5所示的速度指令進行快速進給運動，分別采集運動過程中的實際速度輸出信號，并繪制速度誤差曲線，分別如圖6、7所示。
圖5 電機運動速度指令曲線
圖6電機實際速度曲線
圖7速度跟隨誤差曲線
由圖6、7可以看出，不同的速度環(huán)參數(shù)對速度跟隨誤差影響較大，采集觀察電機運動指標曲線不僅可以了解其伺服性能優(yōu)劣，還可以根據(jù)觀測到的速度曲線進行速度環(huán)參數(shù)的調整，從而實現(xiàn)參數(shù)調整過程的圖形交互。
4 結論
數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的調整是一個復雜和耗時的工作。數(shù)控機床出廠后，使用人員通常無法了解、調試其伺服性能，致使多數(shù)數(shù)控機床的伺服性能沒有在較好的狀態(tài)下工作。作者基于現(xiàn)有數(shù)控設備，開發(fā)了伺服參數(shù)調整的測試系統(tǒng)，通過采集、分析機床運動過程中運動指標參數(shù)，將伺服系統(tǒng)狀態(tài)變化以可視化的方式輸出，可以更加直觀地分析伺服性能的優(yōu)劣，為調整提供了依據(jù)，并通過實驗對測試系統(tǒng)和調試方法進行驗證。實驗表明：測試系統(tǒng)和方法可以有效提高數(shù)控機床伺服參數(shù)調整的效率和精度，是傳統(tǒng)伺服調整的有益補充。
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本文標題：三菱數(shù)控系統(tǒng)伺服參數(shù)調整技術研究
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